550短应力线轧机刚度分析与研究

郭宏伟

(中冶东方秦皇岛研究设计院有限公司 河北秦皇岛066000)



550短应力线轧机刚度分析与研究

郭宏伟①

(中冶东方秦皇岛研究设计院有限公司 河北秦皇岛066000)

综合考虑了对轧机刚度影响的各主要因素，分别对550短应力线轧机刚度与550牌坊轧机刚度进行了计算。通过计算结果，可以看出，跟牌坊轧机相比，短应力线轧机在刚度上具有较大优势。

轧机 短应力线 刚度

1 引言

短应力线轧机缩短了应力回线，提高了轧机刚度，一直是国内外钢铁行业努力的方向。自20世纪40年代中期第一台短应力线轧机诞生以来，短应力线轧机在世界范围内得到广泛的应用[1]。我国自行研制短应力线轧机始于20世纪80年代末，近年来中冶赛迪、中冶京诚、中冶华天、中冶东方等都相继开发了各自的短应力线轧机[2]。

目前，国内外使用的机型，结构型式及性能都是基于第三代红圈高刚度轧机的优化，其主体结构包括辊系、拉杆、压下装置、轴向调整装置和导卫装置等。各厂设计方案大同小异，图1为某厂的轧机结构三维图。以自主研发设计的550短应力线轧机为例，计算其轧机刚度，并与传统550牌坊轧机的刚度进行比较。

2 550短应力线轧机刚度计算

轧机工作机座的弹性变形包括轧辊系统、轴承、轴承座和压下螺丝间的受压零件、压下螺丝和螺母以及机架等零件的弹性变形。机座的弹性变形f就等于有关零件弹性变形之和。求出机座弹性变形f后，通过以下公式求出机座的刚度系数C[3]，即

C=P/f

式中C—机座的刚度；P—轧制力；f—机座的弹性变形。

f=f1+f2+f3+……+f6[3,4,5]

式中f1—拉杆的拉伸变形；f2—轧辊的弯曲变形；f3—轴承座变形；f4—轴承变形；f5—螺母的变形；f6—球面垫的变形。

下面按轧制力作用在轧辊中心位置，辊径最大值为边界条件，计算有关零件的弹性变形。

2.1 拉杆的拉伸变形f1的计算[3]

(1)

式中 R1—拉杆承受拉力； l1—立柱中性轴长度，l1=1165mm；

E1—立柱弹性模量，取E1=206GPa；

F1—立柱的断面积，(按设计图，立柱半径d=160mm，F1=πd2/4=20106.2mm2)。

由于轧制力作用于轧辊的中间位置，因此理论上四个拉杆受力相等，为P/4。但考虑到实际工况，轧制力的分配有其不均衡性。因此每个拉杆受力按0.3P计算,即R1=0.3P,P=3100kN，可得：

R1=0.3P=930kN

代入式(1)得：

2.2 轧辊的弯曲变形f2的计算

轧辊的弯曲变形包括辊身的弯曲变形在B点产生的挠度fa和辊颈的弯曲变形在B点产生的挠度fb，受力分析如图2所示[4]。

图2 轧辊受力分析图

2.2.1fa的计算

由于作用在B点的集中力P/2作用使辊身产生的弯曲变形，等同于将P/2向A点简化为一个集中力P/2和一个集中力偶M使辊身产生的弯曲变形，如图3所示。由材料力学，集中力P/2在B点产生的挠度fa1可按如下方法求得[6]。

图3 挠度分析图

(2)

式中 E—轧辊弹性模量，E=152GPa； Iza—惯性矩，轧辊直径D为490mm。

可得：

Iza=πD4/64=2.83×109mm4

代入式(2)得

由材料力学，力偶M使辊身在B点产生的挠度fa2为：

(3)

式中 M—由B点移到A点的等效力偶，M=P/2×AB=348750kN·mm。

代入式(3)得

因此：

fa=fa1+fa2=0.316mm

2.2.2fb的计算

受力分析简化如图4所示，其中B点处辊颈尺寸d=320mm。

图4 B点受力分析图

依材料力学，有

式中 Izb—惯性矩。

该处辊颈直径为320mm，可得：

Iza=πD4/64=5.147×108mm4

所以得出两个轧辊的总弯曲变形为：

f2=2×(fa+fb)=0.782mm

2.3 轴承座变形f3的计算

一个轴承座的变形计算式为[3]

(4)

式中 R—轴承受力，R=P/2； L3—两立柱中心线间距，L3=650mm； E3—弹性模量，E3=200GPa； I3—惯性矩。

轴承座截面如图6所示，形状类似于工字钢，由机械设计手册查得惯性矩计算式为：

I3=W(H3-h3)/12

图5 轴承座

图6 轴承座剖面

按设计图纸，W=280mm，H=699mm，h=460mm。

因此

I3=280×(6993-4603)/12=5.698×109mm4

代入式(4)得轴承座的变形：

上下两个轴承座的总变形为：

f3=2δ3=0.0156mm

2.4 轴承变形f4的计算[3]

(5)

式中 α—滚子的接触角，α=0°； lg—滚子的有效接触长度，取lg=48mm； i—滚子列数，i=4； z—每列滚子数量，取z=48； P—轧制力，P=3100kN。

代入式(5)得轴承变形：

f4=1.259×10-3mm

2.5 螺母的变形f5的计算

一个螺母的变形计算式为[3]：

(6)

式中 R5—螺母上的负荷，R5=P/4=775kN； l5—螺母的高度，l5=196.254mm； t5—螺距，t5=6mm； D5—螺母的外径，D5=230mm； d5—螺母的内径，d5=160mm； E5—螺母的弹性模量，E5=103GMPa。

代入式(6)得一个螺母的压缩变形：

两个螺母的弹性变形为：

f5=2δ5=0.13mm

2.6 球面垫的变形f6的计算

一个球面垫的变形计算式为[3]：

(7)

式中 R6—球面垫负荷，R6=P/4=775kN； hq—球面垫高度，hq=31.2475mm； D6—外径，D6=230mm； d6—内径，d6=160mm； E6—球面垫弹性模量，E6=206GPa。

代入式(7)得一个球面垫的弹性变形：

两个球面垫的变形为

f6=2δ6=0.011mm

2.7 刚度计算

当轧制力作用在轧辊中心位置，轧辊辊径最大时，轧机机座的弹性变形f为

f=f1+f2+f3+……+f6=1.202mm

从而可求得机座的刚度系数C为：

同理，可计算得到，当轧制力作用在轧辊中心位置，辊径为最小值时的轧机刚度为1337kN/mm；轧制力作用在轧辊最边侧时，对应轧辊直径最大值和最小值时的轧机刚度分别是2768kN/mm和1555kN/mm。

3 550牌坊轧机刚度计算

采用类似计算方法，可得到轧机机座的弹性变形f为

f=f1+f2+f3+……+f6

式中 f1—牌坊的拉伸变形； f2—轧辊的弯曲变形； f3—轴承座变形； f4—轴承变形； f5—螺母的变形； f6—球面垫的变形。

从而可按如下公式计算机座的刚度：

C=P/f

分别以轧制力在轧辊中心与轧辊最边侧；最大辊径与最小辊径为边界条件，分别计算得到如下结果:

当轧制力在轧辊中心时，对应最大辊径与最小辊径的轧机刚度分别为1677kN/mm和1049kN/mm；

当轧制力在轧辊最边侧时，对应最大辊径与最小辊径的轧机刚度分别为1913kN/mm和1448kN/mm。

4 数据整理与分析

根据以上计算结果，对550短应力线轧机与普通轧机的刚度数值，统计如表1。

表1 刚度数值 单位：kN/mm

5 结论

根据计算结果，可以看出，短应力线轧机比牌坊轧机的刚度更好，辊径越大优势越明显，轧制力作用点越居中，刚度优势越明显。尤其当轧辊处于最大辊径时，短应力线轧机刚度优势更加明显，超出普通牌坊轧机50%左右。

[1]赵英彪等. 短应力线轧机的发展状况分析[J]. 冶金设备，2010(6)：42～46.

[2]张荣滨等. 新型短应力线轧机的开发与应用[J]. 重庆工学院学报,2009,Vol.23(12):44-47.

[3]邹家祥．轧钢机械(第3版)[M]．北京：冶金工业出版社，2005.

[4]黄庆学.轧钢机械设计[M].北京：冶金工业出版社,2007.

[5]成大先.机械设计手册(第5卷)[M].北京：化学工业出版社，2002.

[6]刘鸿文编.材料力学(第4版)(I、II) [M].北京：高等教育出版社，2004.

·业界动态·

湖南衡阳钢管(集团)有限公司成功开发耐腐蚀油井管

湖南衡阳钢管(集团)有限公司(简称：华菱衡钢)生产的13Cr系列耐腐蚀不锈钢管，已通过实验评定。

随着世界石油工业的发展，深层含二氧化碳(CO2)油气层的开采条件越来越趋苛刻，油井中CO2溶解于水后形成的碳酸对钢材腐蚀性极强，容易引起设备损坏和油井的报废，造成了巨大的经济损失。

增强油套管抗CO2腐蚀性，13Cr耐腐蚀合金是一种经济、有效的选择。但由于13Cr材质合金含量高，生产难度大，国内能够生产该材质钢管的企业屈指可数。为攻克13Cr钢管生产难关， 2013年华菱衡钢加快了13Cr产品开发进度并取得突取性进展。

国家石油管材质量监督检验中心和新加坡一管材实验室，持续几个月对成分、拉伸性能、冲击性能、硬度、金相组织等多个指标进行严格测试，结果表明华菱衡钢生产的13Cr系列产品性能优异。

Stiffness Analysis and Study of 550 Short Stress Line Mill

Guo Hongwei

(BERIS Qinhuangdao Engineering & Research Co., Ltd., Qinhangdao 066000)

Considering the main factors that influence the rigidity of mill, respectively in 550 short stress line mill stiffness and 550 stand rolling mill stiffness are calculated. For the results, as can be seen, compared with stand rolling mill, the short stress line mill has great advantages in stiffness.

Rolling mill Short stress line Stiffness

郭宏伟，女，1979年出生，毕业燕山大学机械设计专业，学士，工程师，现在中冶东方秦皇岛研究设计院工程部工作

TG333.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.003

2013-10-24)